DE3718036A1

DE3718036A1 - Verfahren und vorrichtung zum extrudieren grossdimensionaler gegenstaende

Info

Publication number: DE3718036A1
Application number: DE19873718036
Authority: DE
Inventors: John Torvald Back
Original assignee: Osakeyhtioe Wiik & Hoglund AB
Current assignee: Osakeyhtioe Wiik & Hoglund AB
Priority date: 1984-02-27
Filing date: 1987-05-28
Publication date: 1988-12-15
Also published as: GB2204823B; CA1224615A; GB2204823A; GB8711818D0; US4704244A

Description

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren, durch welches thermoplastische Gegenstände, wie Stoßdämpfer, Schutzabdeckungen oder andere Gegenstände aus Polyäthylen mit großen Querschnittsdimensionen durch ein mehr oder weniger kontinuierliches Extrudier verfahren hergestellt werden können, anstatt durch einzelnes oder satzweises Gießen. Ferner erlaubt das Verfahren das Extrudieren von großen Querschnittsdimen sionen ohne strukturelle Defekte und innere Hohlräume, die sonst aufgrund des Schrumpfens beim Abkühlen auftreten.

Obwohl die Entwicklung von Kunststoffen sich hauptsäch lich auf die Herstellung kleiner Gegenstände konzen triert hat, hat man erkannt, daß großdimensionale Elastomere und thermoplastische Materialien gut ge eignet sind, herkömmliche Materialien wie Metall, Holz oder Gummi zu ersetzen.

Ein Beispiel ist die zunehmende Verwendung von flexib len Polyäthylenfendern oder Schutzabdeckungen anstelle von Holzbalken in Hafenanlagen wie Kais, Piers oder Pontons, und an den Seiten der Schiffe, um dem Abrieb beim Berühren zwischen Docks und Schiffen zu widerste hen, und auch bei anderen Einrichtungen, welche sich in Abhängigkeit von der Gezeitenbewegung und der Wel lenbewegung bewegen.

Während Holzbalken dazu neigen, zu verrotten oder zu splittern und deswegen häufig ausgetauscht oder repa riert werden müssen, hat sich herausgestellt, daß Fender aus flexiblem Polyäthylen, die mit Bolzen an den Hafeneinrichtungen befestigt sind, weitaus besser sind. Sie weisen eine hohe Stoßwiderstandsfähigkeit, einen geringen Reibungskoeffizienten bei der relativen Bewegung des Schiffes oder dergleichen, einen starken Abriebwiderstand, Flexibilität, hohen chemischen und klimatischen Widerstand und eine geringe Adhäsion zum Eis auf. Hinzu kommt, daß das Material homogen und leicht zu verarbeiten ist und relativ geringe Wartungs kosten verursacht.

Bisher wurden thermoplastische Gegenstände großer Querschnittsdimensionen, wie Polyäthylengleitfender, hergestellt, indem geschmolzenes Polyäthylen in eine Form von geeigneten Dimensionen gebracht wurde, wo man es auskühlen und härten ließ. Dieses Verfahren ist langsam und arbeitsintensiv, da die Gegenstände einzeln in einer Reihe von Formen hergestellt wurden, Zeit zum Abkühlen erforderlich war und die Gegenstände einzeln entfernt werden mußten. Ferner hatten diese Gegenstände eine feste und begrenzte Länge, die durch die Größe der Form bestimmt war.

Bisher hat man geglaubt, daß Extrusionsverfahren nicht für die Herstellung großdimensionaler Gegenstände wie Gleitfender oder Schutzabdeckungen geeignet seien, weil beim Schrumpfen des geschmolzenen Polyäthylens im Inneren des Gegenstandes (nachdem der äußere Abschnitt abgekühlt und verfestigt war) Hohlräume oder Lunker aufzutreten pflegten, welche zu einer strukturellen Schwäche und einem Mangel an Homogenität führten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfah ren zur Herstellung solcher großdimensionaler Artikel, wie Gleitfender aus Polyäthylen und dergleichen, durch ein kontinuierliches Extrudierverfahren herzustellen. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Produktionsgeschwindigkeiten zu erhöhen, die erforder liche menschliche Arbeitskraft zu verringern, und Gegenstände von beliebiger gewünschter Länge herzustellen.

Es ist ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung großdimensionaler Gegenstände durch das vorteilhafte Verfahren kontinuierlichen Extrudierens zu schaffen, ohne dabei die Nachteile interner Hohlräume oder Lunker oder dimensionaler Diskrepanzen hervorzurufen.

Diese Aufgaben und weitere Vorteile werden gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst bzw. erreicht, bei welcher thermoplastische Gegenstände großer Quer schnittsdimensionen für die Verwendung solcher Ge genstände als Fender oder Schutzabdeckungen erzeugt werden, durch ein Verfahren, welches die Schritte des Extrudierens eines ersten Stromes von geschmolzenem thermoplastischem Material durch ein Mundstück umfaßt, um ein Hohlprofil zu formen, welches in einem Kali briermantel gekühlt wird, und durch Zuführen eines zweiten Stromes von geschmolzenem thermoplastischem Material in den Hohlraum, unter Druck und an einem Punkt nahe dem stromabwärtigen Ende des Kühlmantels, um so irgendwelche Hohlräume auszufüllen, die aufgrund des Schrumpfens beim Kühlen entstanden sein können.

Überschüssiges geschmolzenes Material kann unter Druck unter Aufbauchung des Hohlprofils injiziert werden, wo es den Kalibriermantel verläßt. Der zweite Strom aus geschmolzenem Kunststoff kann durch eine zweite Extru derschraube geliefert werden, welche unabhängig von der ersten betätigt wird.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausfüh rungsbeispiels und in Verbindung mit der Beschreibung näher bezeichnet; im einzelnen zeigen:

Fig. 1 die Anordnung eines Polyäthylengleitfenders an der Seites eines Kais oder eines ähnli chen Aufbaus;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines Gleitfen ders, der mit Schrauben an einem in Fig. 1 dargestellten Betonkai befestigt ist;

Fig. 3 einen Querschnitt durch die erfindungs gemäße Vorrichtung zur Veranschaulichung des Verfahrens zur Herstellung solcher Gegenstände durch kontinuierliches Extrudieren.

Die Fig. 1 zeigt einen typischen Betonquai, an dessen Seiten eine Reihe von Fendern 4 befestigt sind, die so ausgelegt sind, daß sie den Gleitkontakt zwischen dem Kai und den Schiffen oder Booten aufnehmen, welche sich entsprechend den Gezeiten oder den Wellen bewegen. Flexible Polyäthylenfender sind für diesen Zweck geeignet, weil sie, obwohl sie ursprünglich nicht als Stoßdämpfer gedacht waren, erhebliche Stöße absorbieren können; noch wichtiger ist jedoch, daß sie einen relativ niedrigen Reibungskontakt zwischen sich bewe genden Körpern aufweisen, im Gegensatz zu Gummi. Gegenüber Holz haben sie den Vorteil, daß sie nicht verrotten oder splittern und keine strukturellen Defekte aufweisen.

In Fig. 2 sieht man, wie die Fender 4 mit Schrauben 6, die durch den Körper des Fenders hindurchdringen und im Beton des Kais verankert sind, an diesem befestigt sind. Polyäthylen kann leicht mit Bohrern oder anderen Werkzeugen bearbeitet werden, und deswegen ist es einfach, die Löcher 8 anzubringen, welche die Bolzen aufnehmen, und welche vorzugsweise vergrößerte Bohrun gen 10 aufweisen, die ein Versenken der Bolzen ermögli chen, so daß letztere nicht mit dem sich bewegenden Körper des Bootes oder des Schiffes in Berührung kommen. Solche Fender sind üblicherweise 100 bis 300 mm breit (parallel zu der Seite des Kais) und etwa 20 bis 200 mm dick (senkrecht zu dem Kai). Hafeninstallationen sind entsprechend der Auslegung des Hafens und der verschiedenen Bedürfnisse sehr unterschiedlich. Es ist deshalb wünschenswert, daß solche Fender mit einer großen Vielzahl unterschiedli cher Längen hergestellt werden können. Zu diesem Zweck und auch zur Erhöhung der Effizienz und der Ökonomie der Herstellung ist es erwünscht, solche Fender in kontinuierlicher Länge durch ein kontinuierliches Extrudierverfahren herzustellen.

Die Fig. 3 zeigt eine bildliche Darstellung des Verfah rens der vorliegenden Erfindung, durch welches solche großvolumigen Gegenstände großer Querschnittsfläche ohne Defekte ihrer Dimensionen oder der internen Struktur hergestellt werden können.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt die Vorrichtung einen ersten Trichter 30, in den das Rohmaterial des herzustellenden Produktes, z.B. Polyäthylen mittlerer Dichte eingeführt wird, vorzugs weise als Granulat oder ähnliche Teile kleiner Größe, und von dem sie in eine Förderschraube fallen, wo das Material plastifiziert und durch die Zonen 1, 2, 3, 4 und 5 nach herkömmlicher Extrudiertechnik hindurchge trieben werden. Während dieses Verfahrens wird die Temperatur des Kunststoffs von etwa 120°C bei der Zone 1 auf etwa 150°C in der Zone 5 erhöht. Bei 34 tritt der geschmolzene Strom in das Mundstück, welches durch den äußeren Mantel 36 und den inneren Kern 38 gebildet ist, wodurch ein Hohlprofil erzeugt wird, welches, im Falle eines Fenders, idealerweise rechtwinklig ist, und welches an dem Ausgang des Mundstückes bei 40 austritt.

Das Hohlprofil bewegt sich dann längs der Länge des Kühlmantels 42, welcher in die gewünschte endgültige Konfiguration des Endproduktes geformt ist, und es wird durch Aufsprühen oder durch Zirkulieren des Wassers, wie bei 44 schematisch dargestellt ist, gekühlt. Der Kühlmantel 42 dient zum Kühlen des geschmolzenen Polyäthylens in einen festen oder halbfesten Zustand und bildet in diesem die gewünschte äußere Form. Um dieses Verfahren zu unterstützen, wird durch ein Rohr 46 Druckluft von einer geeigneten Quelle unter einem Druck von etwa 16 Kilopascal zu dem Auslaß an der Stirnseite des Mundstückkerns 48 geführt, welches sich zu dem Inneren des hohlen Kunststoffprofils öffnet. Auf diese Weise wird das Hohlprofil durch den Luftdruck gegen die Seiten des Kühlmantels 42 gedrückt, um zu gewährleisten, daß der Kunststoff in dichtem Kontakt mit der kühlenden Oberfläche des Mantels gehalten wird und daß er in der gewünschten Form gehalten wird, die durch die Konfiguration des Mantels bestimmt ist.

Gleichzeitig wird eine zweite Quelle desselben Rohmate rials (z.B. Polyäthylen) in den Trichter 50 eingeführt und durch eine zweite Förderschraube 52 durch Zonen 1, 2, 3, 4 und 5 gefördert. Wie bei dem Hauptextruder bewirkt dies eine Plastifizierung und ein Schmelzen des Kunststoffes und eine Temperaturerhöhung von etwa 120°C auf etwa 150°C bei der Zone 5.

Der zweite Strom aus geschmolzenem Kunststoff wird von der Zone 5 durch eine interne Leitung 54 in das Zentrum des Extrudiermundstückkerns 38 geführt und gelangt zu der Vorderseite des Mundstücks in ein zentrales Rohr 56, welches axial durch das Zentrum des Kühlmantels innerhalb des hohlen Kunststoffprofils verläuft und bei 58 nahe dem Ende des Kühlmantels endet, wo das Profil material austritt.

Auf diese Weise wird ein zweiter Strom aus thermopla stischem Material unter Druck in die Länge des Hohlpro fils hineingezwungen, ohne jedoch derselben Kühlwirkung des Mantels 42 ausgesetzt zu sein, und er wird bei 58 unter Druck in das Innere des Hohlprofils gepreßt. An dieser Stelle wird er dem kühleren äußeren Profil ausgesetzt und beginnt sich zu verfestigen. Die Kühlung findet jedoch im Inneren des Keiles oder Kegels des abkühlenden Kunststoffes langsamer statt, wie man bei 60 sieht, und der Keil oder Kegel bewegt sich relativ rückwärts, während das extrudierte Material durch die Abnahmewalzen bei 62 vorwärts bewegt wird. Wie man in der Figur sieht, hat sich der gesamte Querschnitt verfestigt, wenn das Material die Walzen 62 erreicht. Bei 64 ist eine Säge dargestellt, durch welche das kontinuierliche Extrudierprodukt in Standardlängen beliebiger gewünschter Länge zerteilt werden kann, welche entsprechend der besonderen Verwendungsform erwünscht sind.

Da es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die Lunker oder Hohlräume und auch die dimensionalen Veränderungen und Mängel zu beheben, die beim Kühlen und dabei beim Schrumpfen auftreten, liefert der zweite Extruder 52 bei 58 geschmolzenen Kunststoff in den Innenraum des Profils, unter erhöhtem Druck, um sicher zustellen, daß irgendwelche möglichen Fehlräume, die sich aufgrund des Schrumpfens zu entwickeln pflegen, durch Zusatz von weiterem geschmolzenem Material ausgekühlt werden.

Da das geschmolzene Material etwa dort injiziert wird, wo das Profil den Kühl- und Formungsmantel 52 verläßt, wird das äußere Hohlprofil, welches sich verfestigt hat, aber noch eine gewisse Flexibilität aufweist, durch Bauchbildung bei 66 expandiert, um so etwas mehr Materialvolumen aufzunehmen, als eigentlich möglich oder erwünscht ist. Dieser Aufbauchungseffekt ermög licht die Tendenz des thermoplastischen Materials, sich beim Kühlen zusammenzuziehen oder zu schrumpfen, und erlaubt eine derartige Schrumpfung, ohne daß Hohlräume entstehen können, während gleichzeitig das Profil in seine gewünschte und nominelle Form und Dimension zurückgeführt wird, wie sie durch den Mantel 42 defi niert ist. Durch Steuern der Temperatur und der Ge schwindigkeit der Förderschraube 52 kann die gewünschte Materialmenge und der gewünschte Druck in der Zone 66 erzielt werden, so daß eine geeignete Form erzeugt wird, ohne Schrumpfverluste, Hohlräume oder fehlerhafte Dimensionen.

Durch Verwendung eines zweiten Extruders ist es möglich, die Injektion von hinreichend geschmolzenem und fluidem Material in die Zone zu gewährleisten, wo die Kühlung und die Schrumpfung stattfindet, und dieser sekundäre Fluß kann unabhängig bei der Produktionsrate des Hauptextruders kontrolliert werden. Ferner liefert die durch die Leitung 46 eingeführte Druckluft eine weitere Unterstützung dabei, das geschmolzene Material in die Verfestigungszone bei 60 zu drängen.

Während beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel an einen gleichförmigen Querschnitt gedacht ist, der durch das gleiche Material gebildet ist, das in beiden Strömen eingeführt wird, ist es durchaus möglich, zwei verschiedene Materialien zu verwenden, um ein Produkt zu erzeugen, welches z.B. einen starren zentralen Kern mit einer weichen Außenschale umfaßt, oder alternativ eine äußere Schale mit sehr hoher Abriebfestigkeit und mit einem weichen, elastischen inneren Kern.

Im folgenden wird ein Beispiel durch die folgenden Daten bei der experimentellen Herstellung erläutert:

Beispiel I

Produkt - Gleitfender
Rechtwinkliger Querschnitt - 300 mm × 200 mm
Rohmaterial: Polyäthylen niedriger Dichte (schwarz), Schmelzindex 0,3

Hauptextruder: Bandera 120 mm Durchmesser, Typ - 24D

Temperaturtafel:

Luftdruck: 20 KPA (Kilopascal)
Getriebe: Getriebe II

Co-Extruder: Bandera 80 mm Durchmesser, Typ - 20D

Temperaturtafel:

Getriebe: Getriebe VI
Ausgabe: 2,7 m pro Stunde, oder 153 kg pro Stunde.

Beispiel II

Produkt - Gleitfender
Rechtwinkliger Querschnitt - 190 mm × 110 mm
Rohmaterial: Polyäthylen niedriger Dichte (schwarz), Schmelzindex 0,3

Hauptextruder: Bandera 120 mm Durchmesser, Typ - 24D

Temperaturtafel:

Luftdruck: 16 KPA (Kilopascal)
Getriebe: Getriebe II

Co-Extruder: Bandera 80 mm Durchmesser, Typ - 20D

Temperaturtafel:

Getriebe: Getriebe V
Ausgabe: 4,92 m/Std. oder 97 kg/Std.

Die oben beschriebene Vorrichtung und das Verfahren bilden Einrichtungen, durch welche große oder sperrige Gegenstände mit großen Querschnittsflächen hergestellt werden können, wie Gleitfender, mit Einrichtungen, die schneller und kontinuierlicher sind, weniger menschli che Arbeitskraft erfordern, kontinuierlich eingestellt oder gesteuert werden, und welche die Probleme vermei den, die üblicherweise beim Schrumpfen auftreten, wie Lunker oder Hohlräume, und dimensionale Verzerrungen, welche bisher den Durchschnittsfachmann davon abgehal ten haben, solche großen Gegenstände durch Extrudier verfahren herzustellen.

Während die Erfordernisse mit anderen Parametern variieren, hat sich herausgestellt, daß eine Aufbau chung, welche das Volumen um ungefähr 8% vergrößert, effektiv und verarbeitbar ist.

Während oben das Verfahren anhand der Herstellung von Gleitfendern beschrieben wurde, welche ein gutes Beispiel für die zweckmäßige Verwendung der vorliegen den Erfindung sind, wird darauf hingewiesen, daß das beschriebene Verfahren auch zur Herstellung anderer Gegenstände unterschiedlicher Form und für unterschied liche Verwendungszwecke sehr gut geeignet ist.

Während das hier beschriebene Verfahren lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellt, wird ferner darauf hingewiesen, daß verschiedene Modifikationen und Variationen der Vorrichtung und des Verfahrens durch den Durchschnittsfachmann hergestellt werden können, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines thermoplastischen Gegenstandes großer Querschnittsdimensionen mit den folgenden Schritten:
Extrudieren eines ersten Stromes aus geschmolzenem thermoplastischem Material durch ein Mundstück, um ein Hohlprofil zu formen;
Hindurchführen des Hohlprofiles durch einen Kali briermantel, um das thermoplastische Material zu formen und es hinreichend zur Verfestigung zu kühlen;
Zuführen eines zweiten Stroms aus geschmolzenem thermoplastischem Material in den Hohlraum des genann ten Profils, stromabwärts von dem genannten Mundstück, nahe dem stromabwärtigen Ende des Kalibriermantels, unter gleichzeitiger Ausübung eines hinreichenden Druckes auf den zweiten Strom, um das thermoplastische Material des zweiten Stromes in jedwede Hohlräume in dem genannten Hohlprofil zu zwingen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der genannte zweite Strom durch eine Leitung zu einem Punkt strom abwärts von dem Mundstück geführt wird, wo das erste Material auf einen Punkt abgekühlt ist, bei dem es nicht mehr geschmolzen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der zweite Strom stromabwärts von dem Kalibriermantel und nahe dem Verfestigungskegel in das genannte Hohlprofil deponiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der erste Strom durch eine erste Extruderschraube und der zweite Strom durch eine zweite Extruderschraube befördert werden, und die Temperaturen und die Förderraten der Extru derschrauben jeweils unabhängig voneinander gesteuert werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der genannte zweite Strom durch eine Leitung geführt wird, die sich durch den Kern des genannten Mundstücks erstreckt und zu einem Punkt stromabwärts von dem Kalibriermantel fortsetzt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der Druck des zweiten Stroms hinreichend stark ist, um das Hohlprofil stromabwärts von dem Kalibriermantel um etwa 8% über seine nominellen Dimensionen aufzubauchen.

7. Gegenstand aus verfestigtem thermoplastischem Material, mit großen Querschnittsdimensionen, herge stellt durch kontinuierliches Extrudieren nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3.

8. Gegenstand aus verfestigtem thermoplastischem Material, mit großen Querschnittsdimensionen, herge stellt durch kontinuierliches Extrudieren nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6.